КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-72-00032
НазваниеСпектроскопия высокого разрешения молекулы NH3 в интересах проблем исследования атмосфер Земли и планет Солнечной системы
РуководительФомченко Анна Леонидовна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия
Ключевые словааммиак, изотопические модификации, колебательно-вращательные спектры
Код ГРНТИ29.29.19, 29.05.15, 29.31.26
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение одной из проблем физики микромира, связанной с получением новой физической информации как качественного, так и количественного характера о структуре, внутренних свойствах и спектрах высокого разрешения молекулы аммиака, представляющей интерес для задач физики и химии атмосферы Земли, проблемы глобального потепления климата, проблем охраны окружающей среды и многих других проблем науки и техники. Конкретная задача, которая будет решаться, может быть сформулирована следующим образом: «Исследования свойств различных изотопологов молекулы аммиака на основе анализа современной экспериментальной информации о тонкой структуре их колебательно-вращательных спектров». В связи с этим предполагается разработка и практическая реализация новых высокоэффективных методов извлечения физической информации из современных колебательно-вращательных спектров высокого разрешения молекулы NH3, обладающей так называемым «инверсионным колебанием», в частности,
1. будет разработан основанный на использовании аппарата неприводимых тензорных операторов универсальный метод построения эффективных операторов, позволяющий с высокой точностью описывать колебательно-вращательную структуру различных изотопологов молекулы аммиака, в том числе, в высоковозбужденных колебательных состояниях и учитывающий все возможные колебательно-вращательные эффекты и взаимодействия;
2. будут рассмотрены вопросы, связанные с оптимальным выбором моделей рассматриваемых молекулярных систем и разработкой метода решения обратной спектроскопической задачи в условиях реального эксперимента (например, при дефиците исходной информации, при наличии большого числа резонирующих колебательных состояний, слабые спектры и так далее);
3. на основе разрабатываемых методов и моделей будет создано программное обеспечение на языках FORTRAN, MAPLE, WOLFRAM MATHEMATICA. На этой основе будут выполнены исследования спектров высокого разрешения молекул 14NH3, 15NH3, 14NH2D, 15NH2D, 14NHD2, 15NHD2, 14ND3, 15ND3 в различных участках инфракрасного диапазона. Полученная информация будет использоваться для пополнения как отечественных, так и международных (HITRAN, GEISA) баз данных, которые, в свою очередь, широко используются при решении различных задач астрофизики, планетологии, атмосферной оптики и др.
Актуальность выполняемых исследований обеспечивается, с одной стороны, острой потребностью в высокоточной количественной информации о внутренней динамике и спектральных характеристиках рассматриваемого типа молекул для многочисленных как чисто академических, так и прикладных задач физики, химии, астрофизики, планетологии и т.д., и, с другой стороны, большим числом сложностей и нерешенных вопросов в проблеме извлечения физической информации из спектров высокого разрешения инфракрасного и видимого диапазонов шкалы длин волн.
Разрабатываемые в рамках проекта методы и подходы являются либо новыми, либо существенным усовершенствованием известных. Исследования реальных спектров высокого разрешения выполняются в ранее не изученных с высоким разрешением участках шкалы длин волн. Экспериментальная часть работ выполняется в кооперации с техническим университетом Брауншвейга (Германия), университетом Париж-Кретель / SOLEIL (Франция).
Ожидаемые результаты
Предполагается, что в процессе реализации проекта:
1. На основе операторной теории возмущений и теории неприводимых тензорных систем будет разработан метод определения в аналитической форме спектроскопических параметров молекулы NH3 и ее несимметрично замещенных изотопических модификаций. Это позволит связать друг с другом спектроскопические параметры основной и замещенных модификаций исследуемых молекул. Практическая реализация метода (разработка алгоритмов и создание программ) будет выполнена на основе использования языков аналитического программирования MAPLE и WOLFRAM MATHEMATICA. Подобные результаты в современной научной литературе отсутствуют.
2. На основе операторной теории возмущений впервые будет разработана модель эффективного вращательного оператора (с учетом инверсионного движения), позволяющего учитывать одновременно до 10-15 резонирующих колебательных состояний. Для практического использования развитой модели будут разработаны алгоритмы и на этой основе создан пакет программ для анализа спектров и решения обратной спектроскопической задачи для исследуемых молекул. Практика подобного рода успешных спектроскопических исследований, по крайней мере, дейтерированных модификаций в мировой спектроскопической литературе отсутствует.
3. Будут выполнены экспериментальные исследования спектров высокого разрешения молекулы NH3 и ее изотопологов 14NH2D, 15NH2D, 14NHD2, 15NHD2, 14ND3, 15ND3, 15NH3 в ранее не исследованных районах дальней и средней инфракрасной области. В целом за время выполнения проекта предполагается получить новую прецизионную информацию о более чем 20 ранее не исследовавшихся инверсионно-колебательно-вращательных полосах упомянутых молекул.
4. Для всех исследуемых полос будет решена обратная спектроскопическая задача на основе разработанных в рамках проекта теоретических методов и моделей. Все полученные в рамках данного пункта результаты являются новыми.
По результатам исследований предполагается опубликовать 5 статей, индексируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science.
Значимость выполняемых исследований определяется, с одной стороны, острой потребностью в высокоточной количественной информации о внутренней динамике и спектральных характеристиках различного типа молекул для многочисленных как чисто академических, так и прикладных задач физики, химии, астрофизики, планетологии и т.д., и, с другой стороны, большим числом сложностей и нерешенных вопросов в проблеме извлечения физической информации из спектров высокого разрешения инфракрасного и видимого диапазонов шкалы длин волн.
Полученная информация будет использоваться для пополнения как отечественных, так и международных (HITRAN, GEISA) баз данных, которые, в свою очередь, широко используются при решении различных задач атмосферной оптики, охраны окружающей среды и др.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Для молекулы аммиака и ее несимметрично замещенных изотопических модификаций была впервые разработана теоретическая модель эффективного вращательного оператора, учитывающая инверсионное колебание. Данная модель позволяет учитывать различные резонансные взаимодействия. На этой основе были разработаны алгоритмы и создан пакет программ, который был использован для решения обратной спектроскопической задачи и определения параметров системы взаимодействующих состояний изотополога молекулы аммиака 15NHD2.
2. Впервые были проанализированы спектры высокого разрешения молекулы 15NHD2 в диапазоне 1000 - 1800 см-1. Выполнено детальное исследование пяти инверсионно-колебательно-вращательных полос поглощения v5s, v5a, v6s, v6a, 2v2s. Для системы шести резонирующих состояний молекулы 15NHD2: (v5=1, s), (v5=1, a), (v6=1, s), (v6=1, a), (v2=2, s) и (v2=2, a) была решена обратная задача и определены спектроскопические и резонансные параметры. В итоге была получена новая ранее неизвестная информация о тонкой колебательно-вращательной структуре системы изученных сильно взаимодействующих полос молекулы 15NHD2.
3. Для молекулы NH3 впервые ведется разработка теории изотопозамещения и определения связей между параметрами “материнской” молекулы и ее изотопологов. Данный результат позволил предсказать спектроскопические параметры изотополога 15NHD2, что создало основу для корректного решения обратной спектроскопической задачи.
Публикации
1. Фомченко А.Л., Белова А.С., Кузнецов А.В. Rotational analysis of the inversion-vibrational spectra of the 15NHD2 molecule: ν6 fundamental band IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V. 597, P. 012040 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1757-899X/597/1/012040
2. Фомченко А.Л., Белова А.С., Кузнецов А.В., Бехтерева Е.С., Квабиа Чана Ф. ПЕРВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОНА 1100-1350 СМ-1 ИНВЕРСИОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНОГО СПЕКТРА МОЛЕКУЛЫ 15NHD2: ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ПОЛОСА ν5 ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ФИЗИКА (Russian Physics Journal), - (год публикации - 2019)
3. - В космическое будущее по «отпечаткам пальцев» молекул Газета Национального исследовательского Томского политехнического университета "За кадры", 4.10.2018 №8 (3473), стр. 4 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Для молекулы аммиака и его несимметрично замещенных изотопических модификаций разработана теоретическая модель эффективного вращательного оператора, учитывающая инверсионное колебание. На этой основе разработаны алгоритмы и создан пакет программ, который был использован для решения обратной спектроскопической задачи и определения параметров системы сильно взаимодействующих состояний изотопологов молекулы аммиака 15NH2D и 15NHD2.
2. Впервые экспериментально зарегистрированы и теоретически проанализированы спектры высокого разрешения молекул 15NH2D и 15NHD2 в диапазонах 400 – 1000 см-1 и 2400 – 3600 см-1. Выполнено детальное исследование инверсионно-колебательно-вращательных полос поглощения в этих диапазонах: для молекулы 15NH2D – полосы v1, v3, v4, 2v2-v2, для молекулы 15NHD2 – полосы v1, v3, v4, 2v2-v2. Закончено исследование диапазона 1000 - 1800 см-1, начатое в первый год выполнения проекта, в котором расположены полосы v5, v6, 2v2 молекулы 15NHD2. Для них существенно увеличено количество извлеченной из эксперимента информации о положениях линий, принадлежащих этим полосам. Для исследованных состояний решены обратные задачи и определены спектроскопические и резонансные параметры. В итоге получена новая ранее неизвестная информация о тонкой колебательно-вращательной структуре системы изученных сильно взаимодействующих состояний молекул 15NH2D и 15NHD2.
3. Для несимметрично замещенных изотопологов молекулы NH3 с использованием теории изотопозамещения рассчитаны центры полос. Данный результат создал основу для корректного анализа экспериментальных спектров и дальнейшего решения обратной спектроскопической задачи.
Публикации
1. Уленеков О.Н., Бехтерева Е.С., Громова О.В., Фомченко А.Л., Квабиа Чана Ф. High resolution study of the lowest inversion-vibration bands of 15NHD2: Interacting bands v5/v6/2v2 Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, - (год публикации - 2020)
2. Фомченко А.Л., Белова А.С., Кузнецов А.В. Ro-vibrational analysis of “hot” 2ν2 - ν2 band of the 15NH2D and 15NHD2 molecules Optics and Spectroscopy, V. 128, P. 32-41 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S0030400X20010099
3. Фомченко А.Л., Белова А.С., Кузнецов А.В., Бехтерева Е.С., Квабиа Чана Ф. First investigation of the inversion rovibrational spectrum of the 15NHD2 molecule in the region from 1100 to 1350 cm-1: the fundamental v5 band Russian Physics Journal, Vol. 62, P.1716-1723 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s11182-020-01897-9
4. Фомченко А.Л., Кузнецов А.В. Инфракрасный спектр поглощения инверсионной полосы ν1 молекулы 15NH2D ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ФИЗИКА (Russian Physics Journal), - (год публикации - 2020)
5. Белова А.С., Бхтерева Е.С., Громова О.В., Фомченко А.Л., Уленеков О.Н., Квабиа Чана Ф. On the ro-vibrational study of ”hot” transitions in 15NH2D and 15NHD2: the 2ν2-ν2 bands 26th Colloquium on High-resolution Molecular Spectroscopy, Dijon, France, P. 247, H26 (год публикации - 2019)
6. Кузнецов А.В., Бехтерева Е.С., Громова О.В., Фомченко А.Л., Уленеков О.Н., Квабиа Чана Ф. High-resolution analysis of the stretching vibrations of the 15NH2D and 15NHD2 molecules 26th Colloquium on High-resolution Molecular Spectroscopy, Dijon, France, P. 76, B29 (год публикации - 2019)
7. Фомченко А.Л., Бехтерева Е.С., Громова О.В., Уленеков О.Н.,Квабиа Чана Ф. High-resolution study of 15NHD2: a set of interacting states ν5/ν6/2ν2 26th Colloquium on High-resolution Molecular Spectroscopy, Dijon, France, P. 367, O3 (год публикации - 2019)
Возможность практического использования результатов
не указано